[发明专利]基于等效电路的纳米气体传感器建模方法

权利要求书

1.一种基于等效电路的纳米气体传感器建模方法，其特征在于：该方法对纳米气体传感器进行盲盒处理及模块化处理，利用等效电路模拟纳米气体传感器，将整个纳米气体传感器等效电路封装后，产生与实际传感器相似的输入输出效果，而模块化处理则先通过功能进行初步划分，再对不同的参数、不同的运算过程和不同的表达形式进行模块细化，将等效电路划分为输入电路子系统、转化电路子系统和滤波电路子系统，三个子系统依次串联；

输入电路子系统用于对气体在纳米气体传感器气敏材料上的吸附和扩散进行仿真，即通过输入一个电信号模拟实际测试过程中的气体输入过程，产生气体浓度等效电信号由输入电路子系统的输出端输出后，经由转化电路子系统的输入端口进入转化电路子系统；所述输入电路子系统中，将气敏材料中扩散的待测气体浓度在电路结构中等效为引起接下来电路模拟响应产生的主要自变量；利用一个交流电压源等效为可变气体浓度信号，交流电压源的幅值电压代表气体浓度的最大值，交流电压源电压变化的频率代表气体浓度变化的速度，将交流电压源接入运算放大电路进行加工，从而使得从输入电路子系统输出的气体浓度信号变化与实际气体浓度变化的形式一致；

在进行粗测试过程中，直接利用受控可调节信号源代替输入电路；模拟具体传感器时，根据气体实际扩散中的浓度变化过程是否具有等效初等函数模型进行设计；若具有等效初等函数模型，则直接利用产生该初等函数型信号的信号源模拟该信号的产生；若具有独特的响应规律，则按照其自身的响应规律对某一基础函数信号进行运放处理，达到与原气体传感器气敏材料上发生的扩散过程近似等效的效果；

转化电路子系统用于将输入电路子系统传入的气体浓度等效电信号转化为传感器响应等效并输出至滤波电路，在菲克定律适用于多孔气体传感材料表面反应，并且实验气体在气体吸附过程中遵循弗伦德里希定律的情况下，将从输入电路子系统输出的气体浓度信号利用多级运算电路根据气体的扩散反应方程和气敏薄膜的电导与气体浓度的关系式，将不同对气敏特性会产生影响的参数转化为可调节的电信号并按照公式进行运算，模拟整个纳米气体传感器的传感特性，将多级运算产生的结果输出至滤波电路子系统；其中，气体的扩散反应方程为：

其中，C为扩散气体的体积浓度；t为扩散时间；x为扩散距离；D为扩散系数，理论上是一个含有9个分量的二阶张量，与扩散系统的结构对称性密切相关；γ在小范围覆盖情况下取值为1；

在封闭容器内注射气体时，该方程变为：

其中，Γres为响应时间，Γb为恢复时间，ι为薄膜厚度；C₀为开始扩散时空气中的待测气体浓度，D_e为传感器气敏材料的扩散系数；

滤波电路子系统具备可调节的带宽和截止频率，根据预估的响应-恢复时间计算对应的频率，并根据该频率设置带宽和截止频率，将运算过程中产生的复杂噪音滤除，留下适合进行后续处理且与实际传感器响应接近的响应波形，从滤波电路子系统的输出端口输出至示波器。

2.根据权利要求1所述的基于等效电路的纳米气体传感器建模方法，其特征在于：所述转化电路子系统中，除输入电路子系统传入的扩散浓度以外的相互无关的参数均分别由互不影响的电路原件或电路模块产生，并根据其本身的响应变化分别设计结构；对于在实际传感过程中，保持不变并且对信号产生的影响也不发生改变的部分参数，用电容、电阻、信号源来等效；对传感过程影响较复杂的参数由等效电路支路网络给出；不同参数对应的电路原件或电路模块间的耦合参照气体扩散反应方程利用运算电路实现，利用四象限乘法电路实现与响应结果在同条件下成正比或成反比的多个变量对电路产生的共同影响转化为同一信号后，利用加法运算将不同变量产生的影响相互累加，最后利用积分电路求得时间累积对响应结果产生的的影响，经过多级运算产生的结果输出至滤波电路子系统。

3.根据权利要求2所述的基于等效电路的纳米气体传感器建模方法，其特征在于：所述纳米气体传感器由于某一特性产生的宏观变化其实是由若干个微观变化引起的，通过分别将传感器内由于该某一特性变化引起的每个微观变化最终对输出信号的影响等效为所述支路网络的一个支路，这些支路相互耦合，构成支路网络共同对输入电路子系统传出的气体浓度信号进行加工后，输出与实际传感器的所述某一特性响应近似的结果；在单个支路中加入延时器件来模拟不同微观变化进行的快慢；在每个支路中加入一个压控电阻，通过不同的压阻比例模拟不同微观进程的剧烈程度，且将电压信号转换成电阻信号。